WO2018173983A1 - 第５世代通信の３次元化 - Google Patents

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WO2018173983A1
WO2018173983A1 PCT/JP2018/010663 JP2018010663W WO2018173983A1 WO 2018173983 A1 WO2018173983 A1 WO 2018173983A1 JP 2018010663 W JP2018010663 W JP 2018010663W WO 2018173983 A1 WO2018173983 A1 WO 2018173983A1
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communication system
relay station
altitude
formation target
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潤一 宮川
木村　潔
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ソフトバンク株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to three-dimensionalization of fifth generation communication.
  • LTE-AdvancedPro which is an extension of 3GPP LTE (Long Term Evolution) -Advanced
  • Non-Patent Document 1 which is a communication standard for mobile communication systems
  • Non-Patent Document 2 a communication standard for mobile communication systems
  • LTE-AdvancedPro specifications for providing communication to devices for recent IoT (Internet of Things) have been formulated.
  • IoT Internet of Things
  • the fifth generation mobile that supports simultaneous connection and low delay to many terminal devices (also referred to as “UE (user equipment)”, “mobile station”, “communication terminal”) such as devices for IoT. Communication has been studied (for example, see Non-Patent Document 3).
  • the propagation delay is low, it can be simultaneously connected to a large number of terminals in a wide range, high-speed communication is possible, and the system capacity per unit area There is a problem of realizing a large three-dimensional network.
  • a communication system is a communication system including a wireless relay station that relays wireless communication with a terminal device, and the wireless relay station is 100 [from the ground or sea surface by autonomous control or external control. km] is provided in a levitation body controlled to be located in a floating airspace of less than or equal to, and when the levitation body is located in the levitation airspace, the radio relay station has a predetermined cell formation target between the ground and the sea surface. A three-dimensional cell is formed in the airspace.
  • a levitation body is a levitation body provided with a radio relay station that relays radio communication with a terminal device, and has an altitude of 100 [km] or less by autonomous control or external control.
  • the wireless relay station When the levitation body is controlled to be located in an airspace and the levitation body is located in the levitation airspace, the wireless relay station forms a three-dimensional cell in a predetermined cell formation target airspace between the ground and the sea surface.
  • the communication system includes a plurality of radio relay stations provided on the levitation body, and each of the plurality of radio relay stations forms a beam for radio communication with the terminal device toward a ground surface or a sea surface, and the cell A plurality of beams adjacent to each other in the formation target airspace may partially overlap.
  • the plurality of beams may be formed so as to cover the entire upper end surface of the cell formation target airspace.
  • the plurality of beams are formed in a conical shape, a divergence angle of the beams is ⁇ [rad], an altitude of the radio relay station of the levitation body is Hrs [m], When the horizontal interval between the plurality of radio relay stations is Drs [m] and the altitude at the upper end of the cell formation target airspace is Hcu [m], the following equation (1) may be satisfied. Further, in the communication system and the levitation body, the altitude at the lower end of the cell formation target airspace is Hcl [m], and the maximum reachable distance of the radio signal between the radio relay station of the levitation body and the terminal device is When Lmax [m], the following equation (2) may be satisfied.
  • the communication system may further include a ground or sea radio relay station that forms a beam for wireless communication with a terminal device toward the cell formation target airspace.
  • the ground or sea radio relay station may form a beam in a portion where the beam formed by the radio relay station on the levitation body does not pass in the cell formation target airspace.
  • the communication system may further include a feeder station on the ground or on the sea that performs radio communication with the floating relay radio station directly or via an artificial satellite.
  • the communication system may further include a remote control device that remotely controls at least one of the levitation body and the wireless relay station.
  • the levitation body provided with the wireless relay station is a three-dimensional cell in the cell formation target airspace with respect to the ground based on the altitude of the ground located below the levitation body.
  • the position may be controlled so that the altitude is maintained at a predetermined altitude.
  • the communication system may further include a remote control device that controls a position of a radio relay station provided on the levitation body, a direction and a spread angle of a beam formed by the radio relay station, and the like.
  • the altitude of the cell formation target airspace may be 10 [km] or less.
  • the altitude of the cell formation target airspace may be 50 [m] or more and 1 [km] or less.
  • the levitation body provided with the radio relay station may be located in a stratosphere having an altitude of 11 km or more and 50 km or less.
  • the radio relay station may be a base station or a repeater of a mobile communication network.
  • the radio relay station may include an edge computing unit.
  • the levitation body may include a battery that supplies power to the radio relay station, and includes a solar power generation device that generates power to be supplied to the radio relay station. Also good.
  • the levitation body includes a wing provided with a photovoltaic power generation panel for generating electric power to be supplied to the wireless relay station, and a propeller capable of being driven to rotate provided in the wing. It may be a solar plane provided, or an airship provided with a battery for supplying power to the wireless relay station.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of an overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to another embodiment.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the position of the HAPS that realizes the three-dimensional network of the embodiment, the beam formed by each HAPS, and the three-dimensional cell.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of HAPS used in the communication system of the embodiment.
  • FIG. 5 is a side view showing another example of HAPS used in the communication system of the embodiment.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of a HAPS wireless relay station according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating another configuration example of the HAPS wireless relay station of the embodiment.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating still another configuration example of the HAPS wireless relay station according to the embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of selective use of normal HAPS and high-latitude HAPS according to the season.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a state of remote energy beam beam feeding for the high-latitude HAPS according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of the remote latitude energy beam receiving unit of the high-latitude HAPS according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration example of a power supply control system in a high latitude compatible HAPS that can support solar power supply and remote energy beam power supply according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system according to an embodiment of the present invention.
  • the communication system according to the present embodiment is a fifth generation that supports simultaneous connection to a large number of terminal devices (also referred to as “mobile station”, “mobile device”, or “user equipment (UE)”), low delay, and the like. Suitable for realizing a three-dimensional network for mobile communications.
  • the mobile communication standards applicable to the communication system, radio relay station, base station, repeater, and terminal device disclosed in this specification are the fifth generation mobile communication standards and the fifth generation and later. Includes standards for next generation mobile communications.
  • the communication system includes a plurality of high-altitude platform stations (HAPS) (also referred to as “high-altitude pseudo-satellite”) 10, 20. Three-dimensional cells (three-dimensional areas) 41 and 42 as shown by regions are formed.
  • the HAPS 10 and 20 are controlled to float in a high altitude floating airspace (hereinafter also simply referred to as “airspace”) 50 from the ground or the sea surface by autonomous control or external control.
  • a radio relay station is mounted on a floating body (eg, solar plane, airship).
  • the airspace 50 where the HAPS 10 and 20 are located is, for example, a stratospheric airspace with an altitude of 11 km or more and 50 km or less.
  • the airspace 50 where the HAPS 10 and 20 are located may be an airspace in which the altitude where the weather conditions are relatively stable is in the range of 15 [km] or more and 25 [km] or less, and particularly the altitude is approximately 20 [km].
  • the airspace may be Hrsl and Hrsu in the figure indicate relative altitudes of the lower end and the upper end of the airspace 50 where the HAPSs 10 and 20 are located with respect to the ground (GL), respectively.
  • the cell formation target airspace 40 is a target airspace that forms a three-dimensional cell with one or a plurality of HAPS in the communication system of the present embodiment.
  • the cell formation target airspace 40 is a predetermined altitude range (for example, 50 [ m] to an altitude range of 1000 [m] or less.
  • Hcl and Hcu in the figure respectively indicate the relative altitudes of the lower end and the upper end of the cell formation target airspace 40 with respect to the ground (GL).
  • the cell formation target airspace 40 in which the three-dimensional cell of the present embodiment is formed may be above the sea, river, or lake.
  • the wireless relay stations of the HAPS 10 and 20 respectively form beams 100 and 200 for wireless communication with a terminal device that is a mobile station toward the ground.
  • the terminal device may be a communication terminal module incorporated in the drone 60 which is a small helicopter capable of being remotely controlled, or may be a user terminal device used by the user in the airplane 65.
  • the regions through which the beams 100 and 200 pass in the cell formation target airspace 40 are three-dimensional cells 41 and 42.
  • the plurality of beams 100 and 200 adjacent to each other in the cell formation target airspace 40 may partially overlap.
  • the wireless relay stations of the HAPS 10 and 20 are connected to the core network of the mobile communication network 80 via a feeder station 70 that is a relay station installed on the ground or the sea.
  • Each of the HAPS 10 and 20 may autonomously control its own floating movement (flight) and processing at the radio relay station by executing a control program by a control unit configured by a computer or the like incorporated therein.
  • each of the HAPS 10 and 20 acquires its own current position information (for example, GPS position information), pre-stored position control information (for example, flight schedule information), position information of other HAPS located in the vicinity, etc. Based on this information, the levitating movement (flight) and the processing at the radio relay station may be autonomously controlled.
  • the floating movement (flight) of each of the HAPS 10 and 20 and the processing at the radio relay station may be controlled by a remote control device 85 of a communication operator provided in a communication center of the mobile communication network 80 or the like.
  • the HAPS 10 and 20 incorporate a terminal communication device (for example, a mobile communication module) so that the control information from the remote control device 85 can be received. IP address, telephone number, etc.) may be assigned.
  • each of the HAPSs 10 and 20 may transmit information related to levitation movement (flight) of the own or the surrounding HAPS and processing at the radio relay station to a predetermined transmission destination such as the remote control device 85.
  • a region where the beams 100 and 200 of the HAPS 10 and 20 do not pass may occur.
  • a radial beam 300 is formed upward from the ground side or the sea side to form a three-dimensional cell 43 to form an ATG (Air To Ground) connection.
  • a base station (hereinafter referred to as “ATG station”) 30 may be provided.
  • the radio relay station of the HAPS 10 and 20 can be three-dimensionally arranged in the cell formation target airspace 40.
  • the beams 100 and 200 covering the entire upper end surface of the cell formation target airspace 40 may be formed so that the cells are formed throughout.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an example of the overall configuration of a communication system that realizes a three-dimensional network according to another embodiment.
  • the place where the three-dimensional network is formed is an example in the case of an inland region or a mountainous area where the elevation of the ground (GL) is fluctuating and the altitude is fluctuating.
  • the HAPS 10 is based on the altitude (terrain data) of the ground located below so that the relative altitude of the cell formation target airspace 40 from the ground (GL) is maintained constant. Altitude is controlled.
  • the altitude of the HAPS 10 is controlled to 20 [km] in a plain area where the altitude is low, and the altitude of the HAPS 10 is controlled to 23 [km] in a mountainous area where the altitude is about 3000 [m] higher than the plain.
  • the three-dimensional cells 41 having the same height and a constant height from the ground, and the size of the spot of the beam 100 on the upper end surface of the cell formation target airspace 40. It can also be kept constant.
  • the HAPS 10 forms a three-dimensional cell 41 of substantially the same size according to the undulation on the ground below, so that the divergence angle of the beam 100 is formed. (Beam width) and beam direction may be finely adjusted (tracked).
  • FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the positions of the HAPS 10 and 20 that realize the three-dimensional network of the embodiment, the beams 100 and 200 formed by the HAPS 10 and 20, and the three-dimensional cells 41 and 42.
  • the formation of the three-dimensional cells 41 and 42 by the HAPS 10 and 20 is controlled as follows, for example.
  • the radius R2 [m] of the beam 200 at the upper end of the cell formation target airspace 40 is expressed by the following equation (4). It is represented by
  • the beam 100, 200 of the HAPS 10, 20 is used to cover the entire upper end surface of the cell formation target airspace 40.
  • the conditional expression is as shown in the following expression (5).
  • At least one of the altitude of each HAPS 10, 20 and the divergence angle (beam width) of the beams 100, 200 and the horizontal spacing Drs of the HAPS 10, 20 is adjusted so as to satisfy the above formula (5) or formula (6).
  • the entire upper end surface of the cell formation target airspace 40 can be covered by the beams 100 and 200 of the HAPS 10 and 20.
  • conditional expressions (5) and (6) are derived and set in consideration of the inclination angle. That's fine.
  • the maximum reachable distance at which a wireless signal (radio wave) can be received with a predetermined strength between the wireless relay stations of the HAPS 10 and 20 and the terminal device is finite (for example, 100 [km]).
  • the maximum reachable distance is Lmax [m] and the altitude at the lower end of the cell formation target airspace 40 is Hcl [m]
  • each of the HAPS 10 and 20 and the terminal devices located at the lower end of the cell formation target airspace 40 communicate with each other.
  • the altitude Hrs1 of the HAPS 10 and the altitude Hrs1 of the HAPS 20 are the same altitude (Hrs), and the divergence angles ⁇ 1 and ⁇ 2 of each beam are the same angle ( ⁇ ), the HAPS 10 and 20 and the cell formation target airspace respectively.
  • the conditional expression with which the terminal devices located at the lower end of 40 can communicate with each other is as shown in the following expression (9).
  • the HAPS 10 , 20 and the terminal device located at the lower end of the cell formation target airspace 40 can reliably communicate with each other.
  • the three-dimensional cell formed by the HAPS 10 and 20 may be formed so as to reach the ground or the sea level so as to be able to communicate with a terminal device located on the ground or the sea.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of the HAPS 10 used in the communication system of the embodiment.
  • the HAPS 10 in FIG. 4 is a solar plane type HAPS.
  • a solar panel 102 as a solar power generation unit having a solar power generation function is provided on the upper surface, and a main wing part 101 having both ends in the longitudinal direction extending upward, and a bus power system at one end edge in the short direction of the main wing part 101 And a plurality of motor-driven propellers 103 as propulsion devices.
  • a pod 105 serving as a plurality of device accommodating portions in which mission devices are accommodated is connected to two places in the longitudinal direction of the lower surface of the main wing portion 101 via a plate-like connecting portion 104.
  • Each pod 105 accommodates a radio relay station 110 as a mission device and a battery 106.
  • wheels 107 used at the time of taking off and landing are provided on the lower surface side of each pod 105.
  • the electric power generated by the solar panel 102 is stored in the battery 106, and the electric power supplied from the battery 106 rotates the motor of the propeller 103, so that the radio relay station 110 performs radio relay processing.
  • the solar plane type HAPS 10 can be levitated by lift by performing, for example, turning flight or 8-shaped flight, and can be levitated so as to stay in a predetermined range in a horizontal direction at a predetermined altitude.
  • the solar plane type HAPS 10 can fly like a glider when the propeller 103 is not driven to rotate. For example, when the power of the battery 106 is surplus due to the power generation of the solar panel 102 during the daytime or the like, the battery 106 rises to a higher position, and when the solar panel 102 cannot generate power during the nighttime or the like, the power supply from the battery 106 to the motor is stopped. Can fly like.
  • FIG. 5 is a perspective view showing another example of the HAPS 20 used in the communication system of the embodiment.
  • the HAPS 20 shown in FIG. 4 is an unmanned airship type HAPS and has a large payload, so that a large-capacity battery can be mounted.
  • the HAPS 20 includes an airship body 201 filled with a gas such as helium gas for buoyancy, a motor-driven propeller 202 as a propulsion device for a bus power system, and a device storage unit 203 for storing mission devices.
  • a radio relay station 210 and a battery 204 are housed inside the device housing unit 203. With the electric power supplied from the battery 204, the motor of the propeller 202 is driven to rotate, and the wireless relay processing by the wireless relay station 210 is executed.
  • a solar panel having a solar power generation function may be provided on the top surface of the airship body 201 so that the electric power generated by the solar panel is stored in the battery 204.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • the radio relay stations 110 and 210 in FIG. 6 are examples of repeater type radio relay stations.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 includes a 3D cell (three-dimensional cell) forming antenna unit 111, a transmission / reception unit 112, a feed antenna unit 113, a transmission / reception unit 114, a repeater unit 115, a monitoring control unit 116, and a power supply unit 117. .
  • the 3D cell formation antenna unit 111 includes antennas that form the radial beams 100 and 200 toward the cell formation target airspace 40, and forms three-dimensional cells 41 and 42 that can communicate with the terminal device.
  • the transmission / reception unit 112 includes a duplexer (DUP: DUPlexer), an amplifier, and the like, and transmits a radio signal to a terminal device located in the three-dimensional cell 41 or 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 or a terminal Receive radio signals from the device.
  • DUP DUPlexer
  • the feed antenna unit 113 includes a directional antenna for wireless communication with the ground or sea feeder station 70.
  • the transmission / reception unit 114 includes a duplexer (DUP: DUPlexer), an amplifier, and the like, and transmits a radio signal to the feeder station 70 and receives a radio signal from the feeder station 70 via the 3D cell forming antenna unit 111. To do.
  • DUP DUPlexer
  • the repeater unit 115 relays the signal of the transmission / reception unit 112 transmitted / received to / from the terminal device and the signal of the transmission / reception unit 114 transmitted / received to / from the feeder station 70.
  • the repeater unit 115 may have a frequency conversion function.
  • the monitoring control unit 116 is configured by, for example, a CPU and a memory, and monitors the operation processing status of each unit in the HAPS 10 and 20 and controls each unit by executing a program incorporated in advance.
  • the power supply unit 117 supplies the power output from the batteries 106 and 204 to each unit in the HAPS 10 and 20.
  • the power supply unit 117 may have a function of storing in the batteries 106 and 204 power generated by a solar power generation panel or the like or power supplied from the outside.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating another configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • Radio relay stations 110 and 210 in FIG. 7 are examples of base station type radio relay stations. In FIG. 7, the same components as those in FIG.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 in FIG. 7 further includes a modem unit 118 and a base station processing unit 119 instead of the repeater unit 115.
  • the modem unit 118 performs, for example, a demodulation process and a decoding process on the reception signal received from the feeder station 70 via the feed antenna unit 113 and the transmission / reception unit 114, and outputs the data signal to the base station processing unit 119 side. Is generated. Further, the modem unit 118 performs encoding processing and modulation processing on the data signal received from the base station processing unit 119 side, and transmits to the feeder station 70 via the feed antenna unit 113 and the transmission / reception unit 114. Generate a signal.
  • the base station processing unit 119 has a function as e-NodeB that performs baseband processing based on, for example, a method compliant with the LTE / LTE-Advanced standard.
  • the base station processing unit 119 may perform processing by a method based on a standard for future mobile communication such as the fifth generation or the next generation after the fifth generation.
  • the base station processing unit 119 performs demodulation processing and decoding processing on the received signals received from the terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 and the transmission / reception unit 112. A data signal to be output to the modem unit 118 side is generated. In addition, the base station processing unit 119 performs encoding processing and modulation processing on the data signal received from the modem unit 118 side, and the 3D cells 41 and 42 via the 3D cell forming antenna unit 111 and the transmission / reception unit 112. A transmission signal to be transmitted to the terminal device is generated.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating still another configuration example of the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 according to the embodiment.
  • the radio relay stations 110 and 210 in FIG. 8 are examples of high-function base station type radio relay stations having an edge computing function.
  • the same components as those in FIGS. 6 and 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • Each of the radio relay stations 110 and 210 of FIG. 8 further includes an edge computing unit 120 in addition to the components of FIG.
  • the edge computing unit 120 is configured by a small computer, for example, and can execute various types of information processing related to wireless relaying in the wireless relay stations 110 and 210 of the HAPS 10 and 20 by executing a program incorporated in advance. it can.
  • the edge computing unit 120 determines the transmission destination of the data signal based on the data signal received from the terminal device located in the three-dimensional cell 41 or 42, and relays the communication based on the determination result. Executes the process of switching. More specifically, when the transmission destination of the data signal output from the base station processing unit 119 is a terminal device located in its own three-dimensional cell 41 or 42, the data signal is not passed to the modem unit 118. Then, it returns to the base station processing unit 119 and transmits it to the transmission destination terminal device located in its own three-dimensional cell 41, 42.
  • the transmission destination of the data signal output from the base station processing unit 119 is a terminal device residing in a cell other than its own three-dimensional cells 41 and 42
  • the data signal is passed to the modem unit 118.
  • the data is transmitted to the feeder station 70 and transmitted to the terminal device of the transmission destination located in another cell of the transmission destination via the mobile communication network 80.
  • the edge computing unit 120 may execute processing for analyzing information received from a large number of terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42. This analysis result may be transmitted to a large number of terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42, or may be transmitted to a server of the mobile communication network 80 or the like.
  • the uplink and downlink duplex schemes for wireless communication with the terminal devices via the radio relay stations 110 and 210 are not limited to specific schemes. For example, even in a time division duplex (TDD) scheme Alternatively, a frequency division duplex (FDD) method may be used.
  • the access method of wireless communication with the terminal device via the wireless relay stations 110 and 210 is not limited to a specific method, for example, FDMA (Frequency Division Multiple Access) method, TDMA (Time Division Multiple Access) method, It may be a CDMA (Code Division Multiple Access) system or OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access).
  • the wireless communication has functions such as diversity coding, transmission beamforming, and spatial division multiplexing (SDM), and by using multiple antennas simultaneously for both transmission and reception, MIMO (multi-input and multi-output) technology capable of increasing the transmission capacity of the network may be used.
  • the MIMO technology may be a SU-MIMO (Single-User MIMO) technology in which one base station transmits a plurality of signals at the same time and the same frequency as one terminal device. Even in the MU-MIMO (Multi-User MIMO) technology in which signals are transmitted to different communication terminal devices at the same time and the same frequency, or a plurality of different base stations transmit signals to one terminal device at the same time and the same frequency. Good.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of selective use of normal HAPS and high-latitude HAPS according to the season.
  • the high latitude corresponding HAPS with higher power supply is used because the sunshine time is shorter and the air current is stronger than in the low latitude area 55C, and the low latitude area 55L including the area directly below the equator is usually compatible with the low latitude.
  • HAPS (for example, the above-described HAPS in FIG. 4) may be used.
  • the boundary lines A and B between the high latitude regions 55N and 55S and the low latitude region 55L vary depending on the season
  • the intermediate latitude regions 55MA and 55MB A In the region between -A 'and the region between BB', the HAPS to be used may be switched according to the season. For example, in the summer, the boundary line moves to positions A and B. Therefore, normal HAPS is used in the mid-latitude region 55MA between AA ′, and high-latitude HAPS is used in the mid-latitude region 55MB between BB ′. Is used.
  • the boundary line moves to the position of A ′ and B ′. Therefore, the high latitude corresponding HAPS is used in the intermediate latitude region 55MA between AA ′ and the intermediate latitude region 55MB between BB ′.
  • HAPS is used.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a state of remote energy beam feeding to the high latitude corresponding HAPS (solar plane type) 11.
  • HAPS10 in FIG. 10 the same code
  • the high-latitude HAPS 11 includes power receiving pods 108 at both ends in the longitudinal direction of the main wing 101. Inside the power receiving pod 108, a microwave power receiving unit 130 and a battery 106 as a remote energy beam power receiving unit are accommodated.
  • the microwave power reception unit 130 receives the high-power microwave beam 750 or 250 for power transmission transmitted from the microwave power supply station 75 as a power supply device on the ground or the sea or the power supply airship 25 as a power supply device in the air. Convert to and output.
  • the electric power output from the microwave power reception unit 130 is stored in the battery 106.
  • the power supply airship 25 drifts by, for example, an air current, and sequentially supplies power to the stationary HAPS by transmitting a power supply microwave beam.
  • FIG. 11 is a block diagram illustrating a configuration example of the microwave power receiving unit 130 of the high-latitude HAPS 11.
  • the microwave power reception unit 130 includes a rectenna unit 131, a rectenna control unit 132, an output device 133, a pilot signal transmission antenna unit 134, and a beam direction control unit 135.
  • the rectenna unit 131 receives and rectifies the high-power feed microwave beam 750 or 250 transmitted from the ground or sea microwave feed station 75 or the power supply airship 25.
  • the rectenna control unit 132 controls power reception processing and rectification processing of the feeding microwave beam by the rectenna unit 131.
  • the output device 133 outputs the rectified power output from the rectenna unit 131 to the battery 106.
  • the pilot signal transmitting antenna unit 134 transmits a pilot signal beam including a laser beam or the like for guiding the feeding microwave beam to the microwave feeding station 75 or the feeding airship prior to receiving the feeding microwave beam 750 or 250. To 25.
  • the beam direction control unit 135 controls the beam direction of the pilot signal.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a configuration example of a power supply control system (energy management system) 140 in the high-latitude HAPS 11 that can support solar power supply and remote energy beam power supply.
  • the power supply control system 140 of the high-latitude HAPS 11 includes a bus power system power supply 141, a mission system power supply 142, a power supply adjustment device 143, and a control unit 144.
  • the bus power system power supply 141 supplies power to a bus power system such as a motor-driven propeller 103, and the mission system power supply 142 supplies power to communication equipment (mission system) such as the radio relay station 110.
  • the power supply adjustment device 143 adjusts the power supplied to each of the bus power system power supply 141 and the mission system power supply 142 with respect to the power output from the battery 106.
  • the control unit 144 controls output of power from the battery 106, adjustment of power supply by the power supply adjustment device 143, and output of power from the bus power system power supply 141 and the mission system power supply 142.
  • the control in the power supply control system (energy management system) 140 in FIG. 12 is executed so as to perform efficient energy management by an algorithm according to the situation as follows.
  • the power supply adjustment device 143 adjusts and changes the balance between the power supplied to the bus power system and the power supplied to the mission system according to the situation. To do.
  • the power supply amount from the mission system to the bus power system is interchanged to increase the altitude of the high-latitude HAPS 11. You may control so that it may store as energy.
  • the supply amount to the bus power system may be reduced, and the flight mode of the high-latitude HAPS 11 may be controlled to shift to the glider mode using potential energy.
  • the cell formation target airspace 40 in a predetermined altitude range (for example, an altitude range of 50 [m] or more and 1000 [m] or less) on the ground or the sea surface.
  • Wide-area three-dimensional cells 41 and 42 can be formed, and communication between a plurality of terminal devices located in the three-dimensional cells 41 and 42 and the mobile communication network 80 can be relayed.
  • the terminal devices and mobile communication networks located in the three-dimensional cells 41 and 42 are located at a lower altitude (for example, the stratospheric altitude) than the artificial satellites, the terminal devices and mobile communication networks located in the three-dimensional cells 41 and 42
  • the propagation delay in wireless communication with 80 is smaller than that in the case of satellite communication via an artificial satellite.
  • the three-dimensional cells 41 and 42 can be formed and the propagation delay of the wireless communication is low, a three-dimensional network for fifth generation mobile communication having a low propagation delay of the wireless communication can be realized.
  • the high-latitude HAPS 11 by using the high-latitude HAPS 11, it is possible to stably realize a three-dimensional network for fifth generation mobile communication with low radio communication propagation delay over a long period of time even in a high-latitude region. it can.
  • the processing steps described in this specification and the components of the base station apparatus in the radio relay station, feeder station, remote control apparatus, terminal apparatus (user apparatus, mobile station, communication terminal) and base station are various means. Can be implemented. For example, these steps and components may be implemented in hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • entity eg, wireless relay station, feeder station, base station device, wireless relay device, terminal device (user device, mobile station, communication terminal), remote control device, hard disk drive device, or optical disk drive
  • the means such as processing units used to realize the above steps and components are one or more application specific IC (ASIC), digital signal processor (DSP), digital signal processor (DSPD) Designed to perform the functions described herein, programmable logic devices (PLDs), field programmable gate arrays (FPGAs), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, electronic devices Other electronic units, computers Over data, or it may be implemented in a combination thereof.
  • ASIC application specific IC
  • DSP digital signal processor
  • DSPD digital signal processor
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • processors controllers, microcontrollers, microprocessors, electronic devices Other electronic units, computers Over data, or it may be implemented in a combination thereof.
  • firmware and / or software implementation means such as processing units used to implement the above components may be programs (eg, procedures, functions, modules, instructions) that perform the functions described herein. , Etc.).
  • any computer / processor readable medium that specifically embodies firmware and / or software code is means such as a processing unit used to implement the steps and components described herein. May be used to implement
  • the firmware and / or software code may be stored in a memory, for example, in a control device, and executed by a computer or processor.
  • the memory may be implemented inside the computer or processor, or may be implemented outside the processor.
  • the firmware and / or software code is, for example, random access memory (RAM), read only memory (ROM), nonvolatile random access memory (NVRAM), programmable read only memory (PROM), electrically erasable PROM (EEPROM) ), FLASH memory, floppy disk, compact disk (CD), digital versatile disk (DVD), magnetic or optical data storage, etc. Good.
  • the code may be executed by one or more computers or processors, and may cause the computers or processors to perform the functional aspects described herein.
  • HAPS (solar plane type), normal HAPS 11 High Latitude HAPS (Solar Plane Type) 20 HAPS (Airship type) 25 Power supply airship 30 ATG station 40 Cell formation target airspace 41, 42, 43 3D cell 50 Airspace where HAPS is located 60 Drone 65 Airplane 70 Feeder station 75 Microwave power supply station 80 Mobile communication network 85 Remote control device 100, 200, DESCRIPTION OF SYMBOLS 300 Beam 101 Main wing part 102 Solar power generation panel 103 Propeller 104 Connection part 105 Pod 106 Battery 107 Wheel 108 Power receiving pod 110,210 Radio relay station 111 Three-dimensional (3D) cell formation antenna part 112 Transmission / reception part 113 Feeding antenna part 114 Transmission / reception unit 115 Repeater unit 116 Monitoring control unit 117 Power supply unit 118 Modem unit 119 Base station processing unit 120 Edge computing unit 130 Remote energy beam power receiving unit 131 Rectenna unit 132 Rectenna control Unit 133 output device 134 pilot signal transmitting antenna unit 135 beam direction control unit 140 power supply control system

Abstract

無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる通信システムを提供する。通信システムは、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える。前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成する。

Description

第５世代通信の３次元化
　本発明は、第５世代通信の３次元化に関するものである。
　従来、移動通信システムの通信規格である３ＧＰＰのＬＴＥ（Ｌｏｎｇ　Ｔｅｒｍ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）－Ａｄｖａｎｃｅｄ（非特許文献１参照）を発展させたＬＴＥ－ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏと呼ばれる通信規格が知られている（非特許文献２参照）。このＬＴＥ－ＡｄｖａｎｃｅｄＰｒｏでは、近年のＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）向けデバイスへの通信を提供するための仕様が策定された。更に、ＩｏＴ向けデバイス等の多数の端末装置（「ＵＥ（ユーザ装置）」、「移動局」、「通信端末」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代の移動通信が検討されている（例えば、非特許文献３参照）。
３ＧＰＰ　ＴＳ　３６．３００　Ｖ１０．１２．０（２０１４－１２）． ３ＧＰＰ　ＴＳ　３６．３００　Ｖ１３．５．０（２０１６－０９）． Ｇ．　Ｒｏｍａｎｏ，「３ＧＰＰ　ＲＡＮ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　"５Ｇ"」，３ＧＰＰ，２０１６．
　上記第５世代移動通信等においてＩｏＴ向けデバイスを含む端末装置との間の無線通信にて、伝搬遅延が低く、広範囲の多数の端末と同時接続でき、高速通信可能で、単位面積あたりのシステム容量の大きい３次元化したネットワークを実現したいという課題がある。
　本発明の一態様に係る通信システムは、端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成する。
　本発明の他の態様に係る浮揚体は、端末装置との無線通信を中継する無線中継局が設けられた浮揚体であって、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御され、前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成する。
　前記通信システムにおいて、前記浮揚体に設けられた無線中継局を複数備え、前記複数の無線中継局はそれぞれ、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、前記セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なっていてもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記複数のビームは、前記セル形成目標空域の上端面の全体をカバーするように形成されていてもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記複数のビームは円錐状に形成され、そのビームの発散角をθ［ｒａｄ］とし、前記浮揚体の無線中継局の高度をＨｒｓ［ｍ］とし、前記複数の無線中継局の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とし、前記セル形成目標空域の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］としたとき、次式（１）を満たすようにしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記セル形成目標空域の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］とし、前記浮揚体の無線中継局と前記端末装置との間の無線信号の最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］としたとき、次式（２）を満たすようにしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　また、前記通信システムにおいて、端末装置と無線通信するためのビームを前記セル形成目標空域に向けて形成する地上又は海上の無線中継局を備えてもよい。この地上又は海上の無線中継局は、前記セル形成目標空域のうち前記浮揚体側の無線中継局で形成されるビームが通過しない部分にビームを形成してもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体の無線中継局と直接に又は人工衛星を介して無線通信する地上又は海上のフィーダ局を備えてもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体及び前記無線中継局の少なくとも一方を遠隔的に制御する遠隔制御装置を備えてもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記無線中継局が設けられた浮揚体は、その浮揚体の下方に位置する地面の標高に基づいて、該地面に対する前記セル形成目標空域における３次元セルの高度が所定高度に維持されるように位置制御されてもよい。
　また、前記通信システムにおいて、前記浮揚体に設けられた無線中継局の位置、その無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度並びに制御する遠隔制御装置を備えてもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であってもよい。また、前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であってもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記無線中継局を設けた浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置してもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記無線中継局は、移動体通信網の基地局又はリピータであってもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記無線中継局は、エッジコンピューティング部を有してもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記浮揚体は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えてもよく、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電装置を備えてもよい。
　また、前記通信システム及び前記浮揚体において、前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であってもよい。
　本発明によれば、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる。
図１は本発明の一実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図２は他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。 図３は実施形態の３次元化ネットワークを実現するＨＡＰＳの位置と各ＨＡＰＳで形成するビームと３次元セルとの関係を示す説明図である。 図４は実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの一例を示す斜視図である。 図５は実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳの他の例を示す側面図である。 図６は実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の一構成例を示すブロック図である。 図７は実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の他の構成例を示すブロック図である。 図８は実施形態のＨＡＰＳの無線中継局の更に他の構成例を示すブロック図である。 図９は季節に応じた通常ＨＡＰＳ及び高緯度対応ＨＡＰＳの選択利用の一例を示す説明図である。 図１０は実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳに対する遠隔エネルビービーム給電の様子の一例を示す説明図である。 図１１は実施形態の高緯度対応ＨＡＰＳの遠隔エネルビービーム受電部の一構成例を示すブロック図である。 図１２は実施形態のソーラ給電及び遠隔エネルビービーム給電に対応可能な高緯度対応ＨＡＰＳにおける給電制御系の一構成例を示すブロック図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置（「移動局」、「移動機」又は「ユーザ装置（ＵＥ）」ともいう。）への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。なお、本明細書に開示する通信システム、無線中継局、基地局、リピータ及び端末装置に適用可能な移動通信の標準規格は、第５世代の移動通信の標準規格、及び、第５世代以降の次々世代の移動通信の標準規格を含む。
　図１に示すように、通信システムは、複数の高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）１０，２０を備え、所定高度のセル形成目標空域４０に、図中ハッチング領域で示すような３次元セル（３次元エリア）４１，４２を形成する。ＨＡＰＳ１０，２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の浮揚空域（以下、単に「空域」ともいう。）５０に浮遊して位置するように制御される浮揚体（例えば、ソーラープレーン、飛行船）に無線中継局が搭載されたものである。
　ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、例えば、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域である。ＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０は、気象条件が比較的安定している高度が１５［ｋｍ］以上及び２５［ｋｍ］以下の範囲の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。図中のＨｒｓｌ及びＨｒｓｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたＨＡＰＳ１０，２０の位置する空域５０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
　セル形成目標空域４０は、本実施形態の通信システムにおける一又は複数のＨＡＰＳで３次元セルを形成する目標の空域である。セル形成目標空域４０は、ＨＡＰＳ１０，２０が位置する空域５０と従来のマクロセル基地局等の基地局９０がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。図中のＨｃｌ及びＨｃｕはそれぞれ、地面（ＧＬ）を基準にしたセル形成目標空域４０の下端及び上端の相対的な高度を示している。
　なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域４０は、海、川又は湖の上空であってもよい。
　ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、移動局である端末装置と無線通信するためのビーム１００，２００を地面に向けて形成する。端末装置は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプターであるドローン６０に組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機６５の中でユーザが使用するユーザ端末装置であってもよい。セル形成目標空域４０においてビーム１００，２００が通過する領域が３次元セル４１，４２である。セル形成目標空域４０において互いに隣り合う複数のビーム１００，２００は部分的に重なってもよい。
　ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局はそれぞれ、地上又は海上に設置された中継局であるフィーダ局７０を介して、移動通信網８０のコアネットワークに接続されている。
　ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。例えば、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他のＨＡＰＳの位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理を自律制御してもよい。
　また、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理は、移動通信網８０の通信センター等に設けられた通信オペレータの遠隔制御装置８５によって制御できるようにしてもよい。この場合、ＨＡＰＳ１０，２０は、遠隔制御装置８５からの制御情報を受信できるように端末通信装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、遠隔制御装置８５から識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。また、ＨＡＰＳ１０，２０はそれぞれ、自身又は周辺のＨＡＰＳの浮揚移動（飛行）や無線中継局での処理に関する情報を遠隔制御装置８５等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。
　セル形成目標空域４０では、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００が通過していない領域（３次元セル４１，４２が形成されない領域）が発生するおそれがある。この領域を補完するため、図１の構成例のように、地上側又は海上側から上方に向かって放射状のビーム３００を形成して３次元セル４３を形成してＡＴＧ（Ａｉｒ　Ｔｏ　Ｇｒｏｕｎｄ）接続を行う基地局（以下「ＡＴＧ局」という。）３０を備えてもよい。
　また、ＡＴＧ局を用いずに、ＨＡＰＳ１０，２０の位置やビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）等を調整することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局が、セル形成目標空域４０に３次元セルがくまなく形成されるように、セル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするビーム１００，２００を形成してもよい。
　図２は、他の実施形態に係る３次元化ネットワークを実現する通信システムの全体構成の一例を示す概略構成図である。図２の例では、３次元化ネットワークが形成される場所が、地面（ＧＬ）の起伏があって標高が変動している内陸部や山岳地帯の場合の例である。この場合、地面の標高にかかわらず、地面（ＧＬ）からのセル形成目標空域４０の相対的な高度が一定に維持されるように、下方に位置する地面の標高（地形データ）に基づいてＨＡＰＳ１０の高度が制御される。例えば、標高が低い平野部ではＨＡＰＳ１０の高度を２０［ｋｍ］に制御し、平地よりも３０００［ｍ］ほど標高が高い山岳地帯ではＨＡＰＳ１０の高度を２３［ｋｍ］に制御する。これにより、平野部及び山岳地帯のいずれにおいても、地面から高さが一定のほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成することができ、セル形成目標空域４０の上端面におけるビーム１００のスポットの大きさも一定に維持することができる。また、ＨＡＰＳ１０は、ＨＡＰＳ１０の高度の制御に代えて又はその高度の制御に加えて、下方の地面に起伏に応じて、ほぼ同じサイズの３次元セル４１を形成するように、ビーム１００の発散角（ビーム幅）やビームの方向を微調整（トラッキング）してもよい。
　図３は、実施形態の３次元化ネットワークを実現するＨＡＰＳ１０，２０の位置と各ＨＡＰＳ１０，２０で形成するビーム１００，２００と３次元セル４１，４２との関係を示す説明図である。ＨＡＰＳ１０，２０による３次元セル４１，４２の形成は、例えば以下のように制御される。
　ＨＡＰＳ１０（無線中継局）の高度をＨｒｓ１［ｍ］とし、セル形成目標空域４０の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ１０とセル形成目標空域４０の上端との高度差はΔＨ１＝Ｈｒｓ１－Ｈｃｕ［ｍ］である。ＨＡＰＳ１０から鉛直方向の下方に向けて形成される円錐状のビーム１００の発散角をθ１［ｒａｄ］とすると、セル形成目標空域４０の上端におけるビーム１００の半径Ｒ１［ｍ］は次式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　また、ＨＡＰＳ２０（無線中継局）の高度をＨｒｓ２［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ２０とセル形成目標空域４０の上端との高度差はΔＨ２＝Ｈｒｓ２－Ｈｃｕ［ｍ］である。ＨＡＰＳ２０から鉛直方向の下方に向けて形成される円錐状のビーム２００の発散角をθ２［ｒａｄ］とすると、セル形成目標空域４０の上端におけるビーム２００の半径Ｒ２［ｍ］は次式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ＨＡＰＳ１０（無線中継局）とＨＡＰＳ２０（無線中継局）の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とすると、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするための条件式は、次式（５）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ１が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーするための条件式は、次式（６）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　上記式（５）又は式（６）を満たすように、各ＨＡＰＳ１０，２０の高度、ビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）及びＨＡＰＳ１０，２０の水平方向の間隔Ｄｒｓの少なくとも一つを調整・制御することにより、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００によってセル形成目標空域４０の上端面の全体をカバーすることができる。
　なお、ＨＡＰＳ１０，２０のビーム１００，２００それぞれの中心線の向きが鉛直方向から傾いている場合は、その傾きの角度を考慮して上記条件式（５）及び（６）を導出して設定すればよい。
　また、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局と端末装置との間で無線信号（電波）を所定強度で受信できる最大到達可能距離は有限（例えば１００［ｋｍ］）である。その最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］とし、セル形成目標空域４０の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］すると、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが互いに通信することができる条件式は、次式（７）及び（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、ＨＡＰＳ１０の高度Ｈｒｓ１及びＨＡＰＳ２０の高度Ｈｒｓ１が同一高度（Ｈｒｓ）であり、各ビームの発散角θ１、θ２が同一角度（θ）であると仮定すると、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが互いに通信することができる条件式は、次式（９）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　上記式（７），（８）又は式（９）を満たすように、各ＨＡＰＳ１０，２０の高度及びビーム１００，２００の発散角（ビーム幅）の少なくとも一つを調整・制御することにより、ＨＡＰＳ１０，２０それぞれとセル形成目標空域４０の下端に位置する端末装置とが確実に通信することができる。
　なお、上記ＨＡＰＳ１０，２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。
　図４は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ１０の一例を示す斜視図である。図４のＨＡＰＳ１０はソーラープレーンタイプのＨＡＰＳである。上面に太陽光発電機能を有する太陽光発電部としてのソーラパネル１０２が設けられ長手方向の両端部側が上方に沿った主翼部１０１と、主翼部１０１の短手方向の一端縁部にバス動力系の推進装置としての複数のモータ駆動のプロペラ１０３とを備える。主翼部１０１の下面の長手方向の２箇所には、板状の連結部１０４を介して、ミッション機器が収容される複数の機器収容部としてのポッド１０５が連結されている。各ポッド１０５の内部には、ミッション機器としての無線中継局１１０と、バッテリー１０６とが収容されている。また、各ポッド１０５の下面側には離発着時に使用される車輪１０７が設けられている。ソーラパネル１０２で発電された電力はバッテリー１０６に蓄電され、バッテリー１０６から供給される電力により、プロペラ１０３のモータが回転駆動され、無線中継局１１０による無線中継処理が実行される。
　ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、例えば旋回飛行を行ったり８の字飛行を行ったりすることにより揚力で浮揚し、所定の高度で水平方向の所定の範囲に滞在するように浮揚することができる。なお、ソーラープレーンタイプのＨＡＰＳ１０は、プロペラ１０３が回転駆動されていないときは、グライダーのように飛ぶこともできる。例えば、昼間などのソーラパネル１０２の発電によってバッテリー１０６の電力が余っているときに高い位置に上昇し、夜間などのソーラパネル１０２で発電できないときにバッテリー１０６からモータへの給電を停止してグライダーのように飛ぶことができる。
　図５は、実施形態の通信システムに用いられるＨＡＰＳ２０の他の例を示す斜視図である。図４のＨＡＰＳ２０は、無人飛行船タイプのＨＡＰＳであり、ペイロードが大きいため大容量のバッテリーを搭載することができる。ＨＡＰＳ２０は、浮力で浮揚するためのヘリウムガス等の気体が充填された飛行船本体２０１と、バス動力系の推進装置としてのモータ駆動のプロペラ２０２と、ミッション機器が収容される機器収容部２０３とを備える。機器収容部２０３の内部には、無線中継局２１０とバッテリー２０４とが収容されている。バッテリー２０４から供給される電力により、プロペラ２０２のモータが回転駆動され、無線中継局２１０による無線中継処理が実行される。
　なお、飛行船本体２０１の上面に、太陽光発電機能を有するソーラパネルを設け、ソーラパネルで発電された電力をバッテリー２０４に蓄電するようにしてもよい。
　図６は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の一構成例を示すブロック図である。図６の無線中継局１１０，２１０はリピータータイプの無線中継局の例である。無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、３Ｄセル（３次元セル）形成アンテナ部１１１と送受信部１１２とフィード用アンテナ部１１３と送受信部１１４とリピーター部１１５と監視制御部１１６と電源部１１７とを備える。
　３Ｄセル形成アンテナ部１１１は、セル形成目標空域４０に向けて放射状のビーム１００，２００を形成するアンテナを有し、端末装置と通信可能な３次元セル４１，４２を形成する。送受信部１１２は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置に無線信号を送信したり端末装置から無線信号を受信したりする。
　フィード用アンテナ部１１３は、地上又は海上のフィーダ局７０と無線通信するための指向性アンテナを有する。送受信部１１４は、送受共用器（ＤＵＰ：ＤＵＰｌｅｘｅｒ）や増幅器などを有し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１を介して、フィーダ局７０に無線信号を送信したりフィーダ局７０から無線信号を受信したりする。
　リピーター部１１５は、端末装置との間で送受信される送受信部１１２の信号と、フィーダ局７０との間で送受信される送受信部１１４の信号とを中継する。リピーター部１１５は、周波数変換機能を有してもよい。
　監視制御部１１６は、例えばＣＰＵ及びメモリ等で構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０内の各部の動作処理状況を監視したり各部を制御したりする。電源部１１７は、バッテリー１０６，２０４から出力された電力をＨＡＰＳ１０，２０内の各部に供給する。電源部１１７は、太陽光発電パネル等で発電した電力や外部から給電された電力をバッテリー１０６，２０４に蓄電させる機能を有してもよい。
　図７は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の他の構成例を示すブロック図である。図７の無線中継局１１０，２１０は基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図７において、図６と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図７の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、モデム部１１８を更に備え、リピーター部１１５の代わりに基地局処理部１１９を備える。
　モデム部１１８は、例えば、フィーダ局７０からフィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、基地局処理部１１９側に出力するデータ信号を生成する。また、モデム部１１８は、基地局処理部１１９側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、フィード用アンテナ部１１３及び送受信部１１４を介してフィーダ局７０に送信する送信信号を生成する。
　基地局処理部１１９は、例えば、ＬＴＥ／ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠した方式に基づいてベースバンド処理を行うｅ－ＮｏｄｅＢとしての機能を有する。基地局処理部１１９は、第５世代又は第５世代以降の次々世代等の将来の移動通信の標準規格に準拠する方式で処理するものであってもよい。
　基地局処理部１１９は、例えば、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して受信した受信信号に対して復調処理及び復号処理を実行し、モデム部１１８側に出力するデータ信号を生成する。また、基地局処理部１１９は、モデム部１１８側から受けたデータ信号に対して符号化処理及び変調処理を実行し、３Ｄセル形成アンテナ部１１１及び送受信部１１２を介して３次元セル４１，４２の端末装置に送信する送信信号を生成する。
　図８は、実施形態のＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０の更に他の構成例を示すブロック図である。図８の無線中継局１１０，２１０はエッジコンピューティング機能を有する高機能の基地局タイプの無線中継局の例である。なお、図８において、図６、７と同様な構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図８の無線中継局１１０，２１０はそれぞれ、図７の構成要素に加えてエッジコンピューティング部１２０を更に備える。
　エッジコンピューティング部１２０は、例えば小型のコンピュータで構成され、予め組み込まれたプログラムを実行することにより、ＨＡＰＳ１０，２０の無線中継局１１０，２１０における無線中継などに関する各種の情報処理を実行することができる。
　例えば、エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置から受信したデータ信号に基づいて、そのデータ信号の送信先を判定し、その判定結果に基づいて通信の中継先を切り換える処理を実行する。より具体的には、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２に在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡さずに、基地局処理部１１９に戻して自身の３次元セル４１，４２に在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。一方、基地局処理部１１９から出力されたデータ信号の送信先が自身の３次元セル４１，４２以外の他のセルに在圏する端末装置の場合は、そのデータ信号をモデム部１１８に渡してフィーダ局７０に送信し、移動通信網８０を介して送信先の他のセルに在圏する送信先の端末装置に送信するようにする。
　エッジコンピューティング部１２０は、３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置から受信した情報を分析する処理を実行してもよい。この分析結果は３次元セル４１，４２に在圏する多数の端末装置に送信したり移動通信網８０のサーバなどに送信したりしてもよい。
　無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、無線中継局１１０、２１０を介した端末装置との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、上記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ－Ｉｎｐｕｔ　ａｎｄ　Ｍｕｌｔｉ－Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、上記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ－ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｕｓｅｒ　ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる通信端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ－ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ－Ｕｓｅｒ　ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
　次に、高緯度の地域での使用に適した高緯度対応ＨＡＰＳについて説明する。
　図９は、季節に応じた通常ＨＡＰＳ及び高緯度対応ＨＡＰＳの選択利用の一例を示す説明図である。図９の高緯度地域５５Ｎ，５５Ｓでは、低緯度地域５５Ｃよりも日照時間が短く気流が強いため給電力を高めた高緯度対応ＨＡＰＳを用い、赤道直下地域を含む低緯度地域５５Ｌでは低緯度対応の通常ＨＡＰＳ（例えば前述の図４のＨＡＰＳ）を用いてもよい。
　また、高緯度地域５５Ｎ，５５Ｓと低緯度地域５５Ｌとの境界線Ａ，Ｂは季節によって変動するので、その境界線が変動する北回帰線周辺及び南回帰線周辺の中間緯度地域５５ＭＡ，５５ＭＢ（Ａ－Ａ’間の地域及びＢ－Ｂ’間の地域）では利用するＨＡＰＳを季節に応じて切り換えてもよい。例えば、夏の場合は境界線がＡ，Ｂの位置に移動するので、Ａ－Ａ’間の中間緯度地域５５ＭＡで通常ＨＡＰＳを利用し、Ｂ－Ｂ’間の中間緯度地域５５ＭＢで高緯度対応ＨＡＰＳを利用する。一方、冬の場合は境界線がＡ’，Ｂ’の位置に移動するので、Ａ－Ａ’間の中間緯度地域５５ＭＡで高緯度対応ＨＡＰＳを利用し、Ｂ－Ｂ’間の中間緯度地域５５ＭＢで通常ＨＡＰＳを利用する。
　図１０は、高緯度対応ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）１１に対する遠隔エネルビービーム給電の様子の一例を示す説明図である。図１０中のＨＡＰＳ１０において、図１と共通する構成要素については同じ符号を付し、説明を省略する。図１０において、高緯度対応ＨＡＰＳ１１は、主翼部１０１の長手方向の両端部側それぞれに受電用ポッド１０８を備えている。受電用ポッド１０８の内部には、遠隔エネルギービーム受電部としてのマイクロ波受電部１３０とバッテリー１０６とが収容されている。マイクロ波受電部１３０は、地上又は海上の給電装置としてのマイクロ波給電局７５又は空中の給電装置としての給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて電力に変換して出力する。マイクロ波受電部１３０から出力された電力は、バッテリー１０６に蓄電される。
　給電用飛行船２５は、例えば、気流にまかせてドリフトし、静止中のＨＡＰＳに順次、給電用マイクロ波ビームを送信して給電する。
　図１１は、高緯度対応ＨＡＰＳ１１のマイクロ波受電部１３０の一構成例を示すブロック図である。図１１において、マイクロ波受電部１３０は、レクテナ部１３１とレクテナ制御部１３２と出力装置１３３とパイロット信号送信アンテナ部１３４とビーム方向制御部１３５とを備える。レクテナ部１３１は、地上又は海上のマイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５から送信された高出力の給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０を受けて整流する。レクテナ制御部１３２は、レクテナ部１３１による給電用マイクロ波ビームの受電処理及び整流処理を制御する。出力装置１３３は、レクテナ部１３１から出力される整流後の電力をバッテリー１０６に出力する。パイロット信号送信アンテナ部１３４は、給電用マイクロ波ビーム７５０又は２５０の受電に先立って、給電用マイクロ波ビームを案内するレーザビーム等からなるパイロット信号のビームを、マイクロ波給電局７５又は給電用飛行船２５に向けて送信する。ビーム方向制御部１３５は、パイロット信号のビームの方向を制御する。
　なお、図１０及び図１１の遠隔エネルギービーム給電では、エネルギービームとしてマイクロ波ビームを用いた場合について説明したが、レーザビームなどの他のエネルビービームを用いてもよい。
　図１２は、ソーラ給電及び遠隔エネルビービーム給電に対応可能な高緯度対応ＨＡＰＳ１１における給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０の一構成例を示すブロック図である。高緯度対応ＨＡＰＳ１１の給電制御系１４０は、バス動力系電源１４１とミッション系電源１４２と電力供給調整装置１４３と制御部１４４とを備える。バス動力系電源１４１は、モータ駆動のプロペラ１０３等のバス動力系に電力を供給し、ミッション系電源１４２は無線中継局１１０等の通信設備（ミッション系）に電力を供給する。電力供給調整装置１４３は、バッテリー１０６から出力される電力について、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれへ供給する電力を調整する。制御部１４４は、バッテリー１０６からの電力の出力と、電力供給調整装置１４３による電力供給の調整と、バス動力系電源１４１及びミッション系電源１４２それぞれからの電力の出力とを制御する。
　図１２の給電制御系（エネルギー・マネージメント・システム）１４０における制御は、次のように状況に応じたアルゴリズムにより効率的なエネルギーマネジメントを行うように実行する。例えば、バッテリー１０６に蓄電された電力を、制御部１４４からの指示により、電力供給調整装置１４３にて、バス動力系へ供給する電力とミッション系へ供給する電力のバランスを状況に応じて調整変更する。また、高緯度対応ＨＡＰＳ１１で形成する３次元セル内にアクティブユーザ数（端末装置の数）が少ない場合は、ミッション系からバス動力系への給電量を融通して高緯度対応ＨＡＰＳ１１の高度を上げて位置エネルギーとして蓄えるように制御してもよい。また、ミッション系が電力を必要とする場合には、バス動力系への供給量を減らし、高緯度対応ＨＡＰＳ１１の飛行モードを位置エネルギーを利用したグライダーモードに移行するように制御してもよい。
　以上、本実施形態によれば、従来の地上の基地局９０とは異なり、地面又は海面の所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）のセル形成目標空域４０に広域の３次元セル４１，４２を形成し、その３次元セル４１，４２に在圏する複数の端末装置と移動通信網８０との通信を中継することができる。しかも、上記３次元セル４１，４２を形成するＨＡＰＳ１０，２０は、人工衛星よりも低い高度（例えば成層圏の高度）に位置するので、３次元セル４１，４２に在圏する端末装置と移動通信網８０との間の無線通信における伝搬遅延が、人工衛星を介した衛星通信の場合よりも小さい。このように３次元セル４１，４２を形成できるとともに無線通信の伝搬遅延が低いので、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを実現することができる。
　特に、本実施形態によれば、高緯度対応ＨＡＰＳ１１を用いることにより、高緯度地域においても、無線通信の伝搬遅延が低い第５世代移動通信の３次元化ネットワークを長期間にわたって安定的に実現することができる。
　なお、本明細書で説明された処理工程並びに無線中継局、フィーダ局、遠隔制御装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）及び基地局における基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
　ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、基地局装置、無線中継装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、遠隔制御装置、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
　また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、上記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された上記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
　また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
　１０　ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）、通常ＨＡＰＳ
　１１　高緯度対応ＨＡＰＳ（ソーラープレーンタイプ）
　２０　ＨＡＰＳ（飛行船タイプ）
　２５　給電用飛行船
　３０　ＡＴＧ局
　４０　セル形成目標空域
　４１，４２，４３　３次元セル
　５０　ＨＡＰＳが位置する空域
　６０　ドローン
　６５　飛行機
　７０　フィーダ局
　７５　マイクロ波給電局
　８０　移動通信網
　８５　遠隔制御装置
　１００，２００，３００　ビーム
　１０１　主翼部
　１０２　太陽光発電パネル
　１０３　プロペラ
　１０４　連結部
　１０５　ポッド
　１０６　バッテリー
　１０７　車輪
　１０８　受電用ポッド
　１１０，２１０　無線中継局
　１１１　３次元（３Ｄ）セル形成アンテナ部
　１１２　送受信部
　１１３　フィード用アンテナ部
　１１４　送受信部
　１１５　リピーター部
　１１６　監視制御部
　１１７　電源部
　１１８　モデム部
　１１９　基地局処理部
　１２０　エッジコンピューティング部
　１３０　遠隔エネルギービーム受電部
　１３１　レクテナ部
　１３２　レクテナ制御部
　１３３　出力装置
　１３４　パイロット信号送信アンテナ部
　１３５　ビーム方向制御部
　１４０　給電制御系
　１４１　バス動力系電源
　１４２　ミッション系電源
　１４３　電力供給調整装置
　１４４　制御部
　２０１　飛行船本体
　２０２　プロペラ
　２０３　機器収容部
　２０４　バッテリー
　２０５　マイクロ波ビーム送電部
　２５０，７５０　給電用マイクロ波ビーム

Claims (27)

  1. 　端末装置との無線通信を中継する無線中継局を備える通信システムであって、
    　前記無線中継局は、自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御される浮揚体に設けられ、
    　前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成することを特徴とする通信システム。
  2. 　請求項１の通信システムにおいて、
    　前記浮揚体に設けられた無線中継局を複数備え、
    　前記複数の無線中継局はそれぞれ、前記端末装置と無線通信するためのビームを地面又は海面に向けて形成し、
    　前記セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なっていることを特徴とする通信システム。
  3. 　請求項２の通信システムにおいて、
    　前記複数のビームは、前記セル形成目標空域の上端面の全体をカバーするように形成されていることを特徴とする通信システム。
  4. 　請求項３の通信システムにおいて、
    　前記複数のビームは円錐状に形成され、そのビームの発散角をθ［ｒａｄ］とし、前記浮揚体の無線中継局の高度をＨｒｓ［ｍ］とし、前記複数の無線中継局の水平方向の間隔をＤｒｓ［ｍ］とし、前記セル形成目標空域の上端の高度をＨｃｕ［ｍ］としたとき、次式（１）を満たすことを特徴とする通信システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
      
  5. 　請求項４の通信システムにおいて、
    　前記セル形成目標空域の下端の高度をＨｃｌ［ｍ］とし、前記浮揚体の無線中継局と前記端末装置との間の無線信号の最大到達可能距離をＬｍａｘ［ｍ］としたとき、次式（２）を満たすことを特徴とする通信システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
      
  6. 　請求項１乃至５のいずれかの通信システムにおいて、
    　端末装置と無線通信するためのビームを前記セル形成目標空域に向けて形成する地上又は海上の無線中継局を備えることを特徴とする通信システム。
  7. 　請求項６の通信システムにおいて、
    　前記地上又は海上の無線中継局は、前記セル形成目標空域のうち前記浮揚体側の無線中継局で形成されるビームが通過しない部分にビームを形成することを特徴とする通信システム。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体の無線中継局と直接に又は人工衛星を介して無線通信する地上又は海上のフィーダ局を備えることを特徴とする通信システム。
  9. 　請求項１乃至８のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体及び前記無線中継局の少なくとも一方を遠隔的に制御する遠隔制御装置を備えることを特徴とする通信システム。
  10. 　請求項１乃至９のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局が設けられた浮揚体は、その浮揚体の下方に位置する地面の標高に基づいて、該地面に対する前記セル形成目標空域における３次元セルの高度が所定高度に維持されるように位置制御されることを特徴とする通信システム。
  11. 　請求項１乃至１０のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体に設けられた無線中継局の位置、その無線中継局によって形成されるビームの方向及び広がり角度並びに制御する遠隔制御装置を備えることを特徴とする通信システム。
  12. 　請求項１乃至１１のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
  13. 　請求項１２の通信システムにおいて、
    　前記セル形成目標空域の高度は５０［ｍ］以上１［ｋｍ］以下であることを特徴とする通信システム。
  14. 　請求項１乃至１３のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局を設けた浮揚体は、高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする通信システム。
  15. 　請求項１乃至１４のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局は、移動体通信網の基地局であることを特徴とする通信システム。
  16. 　請求項１乃至１４のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局は、リピータであることを特徴とする通信システム。
  17. 　請求項１乃至１６のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局は、エッジコンピューティング部を有することを特徴とする通信システム。
  18. 　請求項１乃至１７のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えることを特徴とする通信システム。
  19. 　請求項１乃至１８のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電装置を備えることを特徴とする通信システム。
  20. 　請求項１乃至１９のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記浮揚体は、前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であることを特徴とする通信システム。
  21. 　端末装置との無線通信を中継する無線中継局が設けられた浮揚体であって、
    　自律制御又は外部から制御により高度が１００［ｋｍ］以下の浮揚空域に位置するように制御され、
    　前記浮揚体が前記浮揚空域に位置するとき、前記無線中継局は、地面又は海面との間の所定のセル形成目標空域に３次元セルを形成することを特徴とする浮揚体。
  22. 　請求項２１の浮揚体において、
    　前記浮揚体の下方に位置する地面の標高に基づいて、該地面に対する前記セル形成目標空域における３次元セルの高度が所定高度に維持されるように位置制御されることを特徴とする浮揚体。
  23. 　請求項２１又は２２の浮揚体において、
    　前記セル形成目標空域の高度は１０［ｋｍ］以下であることを特徴とする浮揚体。
  24. 　請求項２１乃至２３のいずれかの浮揚体において、
    　高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏に位置することを特徴とする浮揚体。
  25. 　請求項２１乃至２４のいずれかの浮揚体において、
    　前記無線中継局は、移動体通信網の基地局又はリピータであることを特徴とする浮揚体。
  26. 　請求項２１乃至２５のいずれかの浮揚体において、
    　前記無線中継局に電力を供給するバッテリー及び前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電装置の少なくとも一方を備えることを特徴とする浮揚体。
  27. 　請求項２１乃至２６のいずれかの通信システムにおいて、
    　前記無線中継局に供給する電力を発電する太陽光発電パネルが設けられた翼と前記翼に設けられた回転駆動可能なプロペラとを備えたソーラープレーン、又は、前記無線中継局に電力を供給するバッテリーを備えた飛行船であることを特徴とする浮揚体。
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